Интегральные характеристики нестационарного теплового пограничного слоя при сбросе тепловой нагрузки в начальном участке цилиндрического канала

ЦЕЛЬ. Исследование развития нестационарного теплового пограничного слоя турбулентного потока газа в начальном участке цилиндрического канала.

МЕТОДЫ. Исследование выполнено экспериментально и путем математического моделирования. Опыты выполнены на стенде с плазменным подогревом рабочего тела (воздуха). Экспериментальный стенд представляет собой аэродинамическую трубу разомкнутого типа. Температура газа достигала до 1400 К, температура стенки повышалась до 700 К. Нестационарные условия реализуются при включении и выключении плазмотрона. При выключении электродугового нагревателя осуществлялся сброс тепловой нагрузки, приводящий к уменьшения температуры газа со скоростью по абсолютной величине до 5000 К/с и температуры стенки около 100 К/с. Профили температур потока измерены с помощью хромель-алюмелевых термопар. Математическая модель основывается на теории пограничного слоя с привлечением законов сопротивления и теплообмена на основе гипотезы Прандтля о длине пути смешения. Принимается двухслойная модель гидродинамического и теплового пограничных слоев. Использование параметрических методов расчета пограничного слоя Кутателадзе-Леонтьева позволяет получить соотношения для расчета профилей скорости и энтальпий.

РЕЗУЛЬТАТЫ. Определено развитие интегральных толщин потока при сбросе тепловой нагрузки. Тепловая нестационарность при сбросе нагрузки по основному потоку деформирует профили температур, они становятся менее заполненными. Такая динамика вызывается ростом тепловой инерции термогазодинамической системы, блокированием потока тепловых волн в пограничный слой из-за падения фронта тепловой энергии с внешней стороны пограничного слоя. Термогазодинамическая система деформируется, отдавая энергию. Результатом подобных неустановившихся процессов является переход пограничного слоя к новому состоянию. Результаты обобщены в рамках теории пограничного слоя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Толщина потери энергии увеличивается относительно своего стационарного изотермического аналога с ростом параметра тепловой нестационарности. Влияние нестационарности на толщину потери энергии лежит в пределах 20 % при z_h≤2, Re_h^**=1000 и Re^**=1000.

1. Попов И.А., Гортышов Ю.Ф., Олимпиев В.В. Промышленное применение интенсификации теплообмена - современное состояние проблемы (обзор) // Теплоэнергетика. 2012. № 1. С. 3-17.

2. Щукин А.В. и др. Теплофизика рабочих процессов в охлаждаемых лопатках газовых турбин // Казань: Изд-во КНИТУ-КАИ, 2020. 392 с.

3. Гильфанов К.Х., Шакиров Р.А., Гайнуллин Р.Н., Коннов Ф.В. Способ интенсификации теплообмена на основе интеллектуального управления режимными характеристиками теплообменного оборудования / Вестник Казанского государственного энергетического университета. Казань:, КГЭУ, 2022, № 4 (55). -C. 80-91.

4. Якимов Н.Д., Шагеев А.Ф., Дмитриев А.В., Бадретдинова Г.Р. Особенности расчета температурного поля в кольцевом пористом слое при бесконечном нагреве / Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2023;25(6):54-66. https://doi.org/10.30724/1998-9903-202325-6-54-66

5. Plotnikov L. V. Experimental Assessment of Flow Structure in a Cylinder During Air Flow Through Poppet Valves of Different Configurations / Journal of Engineering Physics and Thermophysics. Published: 22 February 2024 Volume 97, pages 172–178, (2024)

6. Kornilov V. I., Shkvar E. A., Popkov A. N. Influence of Distributed Blowing-In on a Turbulent Boundary Layer on a Body of Revolution / Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 14 February 2022, Volume 95, pages 132–141

7. Shchukin A.V. Film Cooling Efficiency on a Convex or Flat Surface in Conditions of Pulsed Blowing through Fan-Shaped and Cylindrical Holes / A.V. Il’inkov, A.V. Shchukin, V.V. Takmovtsev, and A.V. Starodumov // Russian Aeronautics. – 2024. – Vol. 67. – № 3. – Pp. 309-314.

8. Shchukin A.V. Efficiency of a Heat Air Shield in the Case of Pulsed Blowing through a Slot at an Angle of 30 Degree / A.V. Il’inkov, V.V. Takmovtsev, A.V. Starodumov A.V. Shchukin, and A.L. Tukmakov// Russian Aeronautics. – 2024. – Vol. 67. – № 2. – Pp. 386 - 392.

9. Tukmakov A.L. Model of Convective-Film Cooling of Plate with Flow Non-Stationarity and Gas Сompressibility / A.L. Tukmakov, A.A. Akhunov, N.A. Tukmakova, and V.V. Khar’kov // Russian Aeronautics. – 2024. – Vol. 67. – № 1. – Pp. 110 - 118.

10. Tan, B., Cai, J., Zhao, J., Hibiki, T., Tian, W. X. & Wu, Y. W. Experimental and theoretical study of vapor/air mixture condensation inside an inclined blind-end pipe in natural convection with considering fog formation / International Journal of Heat and Mass Transfer. 184, 122375, Mar 2022, In:. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.122375

11. Pavlyukevich N. V., Shnip A. I. Modeling Heat Transfer in the Core of a Nuclear Power Reactor in the Presence of Perturbations of Hydrodynamic and Energy Parameters / Journal of Engineering Physics and Thermophysics. Published: 14 February 2022 Volume 95, pages 29–36.

12. Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое // -М.: Энергоатомиздат, 1985. -320 с.

13. Гильфанов К.Х., Якимов Н.Д., Минвалеев Н.Ю., Шешуков Е.Г., Богданова Н.В. Нестационарные трение и теплообмен в начальном участке трубопровода при сбросе тепловой нагрузки / Изв. вузов. Проблемы энергетики, 2018, Т. 20 № 5-6, С. 22-28.

14. Володин Ю.Г., Гильфанов К.Х., Марфина О.П., Закиров И.Ф., Казаков А.А., Кузнецов А.Б., Рыжакова Ж.С. Экспериментальное исследование тепловой инерции микротермопар / Приборы. –2008. – № 4. – С. 52 – 55.

15. Гильфанов К.Х., Подымов В.Н., Минвалеев Н.Ю., Сибгатуллин И.Ф., Гайнуллин Р.Н. Амплитудно-фазовые частотные характеристики гидродинамических и тепловых параметров в коротком цилиндрическом канале / Изв. вузов. Проблемы энергетики, 2014, № 11-12, С. 81-88.

16. Бадретдинова Г.Р., Калимуллин И.Р., Зинуров В.Э., Дмитриев А.В. Оценка моделей турбулентности при внешнем обтекании нагреваемой трубы / Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2023;25(2):176-186. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2023-25-2176-186.